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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wechselrichter, und sie
betrifft insbesondere Verfahren und Systeme zum Steuern von Wechselrichtern in
Elektroantriebssystemen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich
immer weiter entwickelnde Vorlieben bezüglich des Stils zu wesentlichen
Veränderungen
bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen
betrifft die Komplexität
der elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere Fahrzeugen
mit alternativem Kraftstoff, wie etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
Derartige Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff verwenden typischerweise
einen Elektromotor, möglicherweise
in Verbindung mit einem weiteren Aktuator, um die Räder anzutreiben.
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Diese
Fahrzeugtypen können
wesentliche Verbesserungen beim Wirkungsgrad bieten. Es bleibt jedoch
ein immer gegenwärtiger
Bedarf zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Elektromotorantrieben,
um Leistungsverluste zu verringern, die Lebensdauer einer Batterie
zu verbessern und die Reichweite und Kilometerleistung zu verbessern.
Zudem bleibt ein Bedarf, eine effektive Motorsteuerung mit niedrigen
Stromverzerrungen und niedriger Drehmomentrestwelligkeit beizubehalten.
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Entsprechend
ist es wünschenswert,
ein Steuerungsverfahren bereitzustellen, das Leistungsverluste verringert
und den Wirkungsgrad von Elektromotorantrieben in Kraftfahrzeugen
erhöht,
während
für eine
effektive Motorsteuerung mit niedriger Stromverzerrung und niedriger
Drehmomentrestwelligkeit gesorgt wird. Darüber hinaus werden weitere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden
genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und
Hintergrund offenbar werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei
einer Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters in einem Elektroantriebssystem
eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren steuert allgemein
den Wechselrichter, indem es den Wechselrichter in Ansprechen darauf,
dass entweder ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors über einem
ersten Drehmomentniveau liegt oder eine befohlene Drehzahl des Elektromotors über einem
ersten Drehzahlniveau liegt, mit einem unstetigen pulsbreitenmodulierten
Signal (DPWM-Signal) steuert, um eine modulierte Spannungswellenform
zum Antreiben des Elektromotors zu erzeugen. Zudem steuert das Verfahren den
Wechselrichter, indem es den Wechselrichter in Ansprechen darauf,
dass sowohl ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors unter dem
ersten Drehmomentniveau liegt als auch eine befohlene Drehzahl des
Elektromotors unter dem ersten Drehzahlniveau liegt, mit einem stetigen
pulsbreitenmodulierten Signal (CPWM-Signal) steuert, um die modulierte
Spannungswellenform zum Antreiben des Elektromotors zu erzeugen.
Das Verfahren verringert Wechselrichterverluste und erhöht den Wirkungsgrad
des Antriebssystems, indem es eine DPWM bei hohen Drehzahlen oder
hohem Drehmoment verwendet, während
es für
eine niedrige Stromverzerrung und eine niedrige Drehmomentrestwelligkeit sorgt,
indem es eine CPWM bei niedrigen Drehzahlen und niedrigem Drehmoment
verwendet. Somit verringert das Verfahren einen Leistungsverlust
während
es ein gutes Systemverhalten bereitstellt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird ein Kraftfahrzeugelektroantriebssystem bereitgestellt. Das
Kraftfahrzeugelektroantriebssystem umfasst einen Elektromotor, einen
Wechselrichter, der mit dem Motor gekoppelt ist, und mindestens
einen Prozessor, der mit dem Elektromotor und dem Wechselrichter
gekoppelt ist. Der mindestens eine Prozessor ist so ausgestaltet,
dass er in Ansprechen darauf, dass entweder ein befohlenes Drehmoment
des Elektromotors über
einem ersten Drehmomentniveau liegt oder eine befohlene Drehzahl
des Elektromotors über
einem ersten Drehzahlniveau liegt, den Wechselrichter mit einem
unstetigen pulsbreitenmodulierten Signal (DPWM-Signal) steuert,
um eine modulierte Spannungswellenform zum Antreiben des Elektromotors
zu erzeugen. Zudem ist der Prozessor so ausgestaltet, dass er in
Ansprechen darauf, dass sowohl ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors unter
dem ersten Drehmomentniveau liegt als auch eine befohlene Drehzahl
des Elektromotors unter dem ersten Drehzahlniveau liegt, den Wechselrichter mit
einem stetigen pulsbreitenmodulierten Signal (CPWM-Signal) steuert,
um die modulierte Spannungswellenform zum Antreiben des Elektromotors zu
erzeugen. Das System verringert Wechselrichterverluste und erhöht den Wirkungsgrad
des Antriebssystems, indem es eine DPWM bei hohen Drehzahlen oder
hohem Drehmoment verwendet, während
es für
eine niedrige Stromverzerrung und eine niedrige Drehmomentrestwelligkeit
sorgt, indem es eine CPWM bei niedrigen Drehzahlen und niedrigem Drehmoment verwendet.
Somit verringert das Antriebssystem einen Leistungsverlust während es
ein gutes Systemverhalten bereitstellt.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird hierin nachstehend in Verbindung mit den
folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente bezeichnen, und
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1 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Blockdiagramm eines Spannungszwischenkreisumrichtersystems in dem
Kraftfahrzeug von 1 ist;
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3 eine
schematische Ansicht eines Wechselrichters in dem Kraftfahrzeug
von 1 ist;
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4 eine
graphische Darstellung einer beispielhaften Wellenform eines typischen
CPWM-Tastverhältnisbefehls
ist, welche über
eine elektrische Grundperiode eines Elektromotors aufgezeichnet
ist;
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5 eine
graphische Darstellung einer beispielhaften Wellenform eines typischen
DPWM-Tastverhältnisbefehls
ist, welche über
eine elektrische Grundperiode eines Elektromotors aufgezeichnet
ist;
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6 eine
graphische Darstellung einer beispielhaften Wechselrichtersteuerungstechnik
ist; und
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7 ein
Flussdiagramm ist, welches ein beispielhaftes Steuerungsverfahren
zur Wechselrichtermodulation veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist
nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der
Erfindung zu beschranken. Darüber
hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder
implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, die
miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Bei der Verwendung
hierin bedeutet "verbunden", sofern es nicht
ausdrücklich anderweitig
angegeben ist, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren Element/Merkmal
direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar
nicht notwendigerweise mechanisch. Gleichermaßen bedeutet "gekoppelt", sofern es nicht
ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren
Element/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt
oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise
mechanisch. Es sollte jedoch verstanden sein, dass, obwohl bei einer
Ausführungsform
zwei Elemente nachstehend als "verbunden" beschrieben sein
können, ähnliche
Elemente bei alternativen Ausführungsformen "gekoppelt" sein können und
umgekehrt. Obwohl die hierin gezeigten schematischen Zeichnungen
beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können daher
bei einer tatsächlichen
Ausführungsform
zusätzliche
dazwischenkommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
vorhanden sein. Es sollte auch verstanden sein, dass die Figuren
rein veranschaulichend sind und möglicherweise nicht maßstabsgetreu
gezeichnet sind.
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Die
Figuren veranschaulichen ein Verfahren und ein System zum Steuern
eines Wechselrichters in einem Elektroantriebssystem eines Kraftfahrzeugs.
Das System und Verfahren steuern allgemein den Wechselrichter, indem
sie in Ansprechen darauf, dass entweder ein befohlenes Drehmoment
des Elektromotors über
einem ersten Drehmomentniveau liegt oder eine befohlene Drehzahl
des Elektromotors über
einem ersten Drehzahlniveau liegt, den Wechselrichter mit einem
unstetigen pulsbreitenmodulierten Signal (DPWM-Signal) steuern,
um eine modulierte Spannungswellenform zum Antreiben des Elektromotors
zu erzeugen. Zudem steuern das System und Verfahren den Wechselrichter,
indem sie in Ansprechen darauf, dass sowohl ein befohlenes Drehmoment
des Elektromotors unter dem ersten Drehmomentniveau liegt als auch
eine befohlene Drehzahl des Elektromotors unter dem ersten Drehzahlniveau
liegt, den Wechselrichter mit einem stetigen pulsbreitenmodulierten
Signal (CPWM-Signal) steuern, um die modulierte Spannungswellenform
zum Antreiben des Elektromotors zu erzeugen.
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Im
Allgemeinen stellt eine DPWM im Vergleich zu einer CPWM verringerte
Wechselrichterverluste und einen erhöhten Wirkungsgrad bereit. Bei niedrigeren
Stromniveaus kann jedoch die DPWM eine Stromverzerrung erhöhen, was
zu einer erhöhten
Drehmomentrestwelligkeit führt.
Bei höheren Drehzahlen überlagern
andere Verzerrungsquellen die Verzerrung, die durch eine DPWM eingebracht wird.
Zudem wird der Motorstrom für
ein gegebenes Drehmoment aufgrund der Feldschwächung ansteigen. Daher verwenden
das System und Verfahren eine DPWM bei hohen Drehzahlen unabhängig von dem
Drehmomentniveau, um Verluste zu begünstigen, die durch die DPWM
bereitgestellt werden. Zudem wird die DPWM bei einigen Ausführungsformen bei
einem Nulldrehmoment und einer Nulldrehzahl verwendet, um ein Schalten
des Wechselrichters zu beenden, während der Motor stationär ist. Das
System und Verfahren verringern somit einen Leistungsverlust, während sie
für ein
gutes Systemverhalten sorgen.
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1 veranschaulicht
ein Fahrzeug 30 oder "Kraftfahrzeug" gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 30 umfasst
ein Chassis 32, eine Karosserie 34, vier Räder 36 und
ein elektronisches Steuerungssystem 38. Die Karosserie 34 ist
auf dem Chassis 32 angeordnet und umhüllt im Wesentlichen die anderen
Komponenten des Kraftfahrzeugs 30. Die Karosserie 34 und das
Chassis 32 können
gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 36 sind jeweils
in der Nähe
einer jeweiligen Ecke der Karosserie 34 mit dem Chassis 32 drehbar
gekoppelt.
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Das
Kraftfahrzeug 30 kann ein beliebiger einer Anzahl verschiedener
Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie z. B. eine Limousine, ein Kombi,
ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), und kann ein Zweiradantrieb
(2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb), ein Vierradantrieb
(4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das Fahrzeug 30 kann auch
einen beliebigen oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener
Typen von Maschinen (oder Aktuatoren) umfassen, wie z. B. eine benzin-
oder dieselgespeiste Brennkraftmaschine, die Maschine eines „Fahrzeugs
mit flexiblem Kraftstoff" (FFV,
FFV von flex fuel vehicle) (d. h., die eine Mischung aus Benzin
und Alkohol verwendet), eine mit einem gasförmigen Gemisch (z. B. Wasserstoff
und/oder Erdgas) gespeiste Maschine oder eine Brenn stoffzellenenergiequelle,
eine hybride Brennkraft/Elektromotormaschine und einen Elektromotor.
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Bei
der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
ist das Kraftfahrzeug 30 ein Hybridfahrzeug und umfasst
ferner eine Aktuatoranordnung 40, eine Batterie (oder einen
anderen elektrischen Energiespeicher) 42, einen Wechselrichter (oder
Inverter) 44, und einen Radiator 46. Die Aktuatoranordnung 40 umfasst
eine Brennkraftmaschine 48 und einen Elektromotor/Generator
(oder Motor) 50. Der Elektromotor ist bei einer Ausführungsform ein
sinusförmig
gewickelter Wechselstrommotor (AC-Motor) (z. B. Permanentmagnet
oder Induktion), wie er häufig
bei Kraftfahrzeugen verwendet wird (z. B. bei Fahrantriebssteuerungssystemen
und dergleichen). Wie der Fachmann feststellen wird, enthält der Elektromotor 50 ein
Getriebe und er umfasst auch, obwohl es nicht veranschaulicht ist,
eine Statoranordnung (die leitfähige
Spulen umfasst), eine Rotoranordnung (die einen ferromagnetischen
Kern umfasst) und ein Kühlfluid
(d. h. ein Kühlmittel).
Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung in dem Elektromotor 50 können mehrere
(z. B. sechzehn) elektromagnetische Pole umfassen, wie allgemein verstanden
wird.
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Noch
mit Bezug auf 1 sind bei einer Ausführungsform
die Brennkraftmaschine 48 und der Elektromotor 50 derart
zusammengebaut, dass beide mit wenigstens einigen der Räder 36 durch
eine oder mehrere Antriebswellen 52 mechanisch gekoppelt sind.
Der Radiator 46 ist mit dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt
desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht
ist, mehrere dort hindurch verlaufende Kühlkanäle, welche ein Kühlfluid
(d. h. ein Kühlmittel)
enthalten, wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. "Frostschutz"), und ist mit der
Maschine 48 und dem Wechselrichter 44 gekoppelt.
Wieder mit Bezug auf 1 empfängt bei der dargestellten Ausführungsform
der Wechsel richter 44 ein Kühlmittel und teilt dieses mit dem
Elektromotor 50. Der Radiator 46 kann auf ähnliche
Weise mit dem Wechselrichter 44 und/oder dem Elektromotor 50 verbunden
sein.
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Das
elektronische Steuerungssystem 38 steht in wirksamer Verbindung
mit der Aktuatoranordnung 40, der Batterie 42 und
dem Wechselrichter 44. Obwohl es nicht im Detail gezeigt
ist, umfasst das elektronische Steuerungssystem 38 verschiedene Sensoren
und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten
(ECUs), wie etwa ein Wechselrichtersteuerungsmodul und einen Fahrzeugcontroller,
und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, welcher
darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte
Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren wie nachstehend
beschrieben auszuführen.
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Mit
Bezug auf 2 ist ein Spannungszwischenkreisumrichtersystem
(oder Elektroantriebssystem) 54 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Spannungszwischenkreisumrichtersystem 54 umfasst
einen Controller 56, den mit einem Ausgang des Controllers 56 gekoppelten
Wechselrichter 44 und den mit einem ersten Ausgang des
Wechselrichters 44 gekoppelten Motor 50. Der Controller 56 kann
mit dem elektronischen Steuerungssystem 38, das in 1 gezeigt
ist, zusammengebaut sein.
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3 veranschaulicht
den Wechselrichter 44 von 1 und 2 genauer.
Der Wechselrichter 44 umfasst eine dreiphasige Schaltung,
die mit dem Motor 50 gekoppelt ist. Insbesondere umfasst
der Wechselrichter 44 ein Schalternetzwerk mit einem ersten
Eingang, der mit einer Spannungsquelle Vdc (z.
B. der Batterie 42) gekoppelt ist, und einem Ausgang, der
mit dem Motor 50 gekoppelt ist. Obwohl eine einzige Spannungsquelle
gezeigt ist, kann eine verteilte Gleichstromverbindung (DC-Verbindung)
mit zwei seriellen Quellen verwendet werden.
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Das
Schalternetzwerk umfasst drei Paare serieller Schalter mit antiparallelen
Dioden (d. h. antiparallel zu jedem Schalter), welche jeder der
Phasen entsprechen. Jedes der Paare serieller Schalter umfasst einen
ersten Schalter (oder Transistor), 60, 62 und 64 mit
einem ersten Anschluss, der mit einer positiven Elektrode der Spannungsquelle 42 gekoppelt
ist, und einen zweiten Schalter 66, 68 und 70 mit einem
zweiten Anschluss, der mit einer negativen Elektrode der Spannungsquelle 42 gekoppelt
ist und mit einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten Anschluss
des jeweiligen ersten Schalters 60, 62 und 64 gekoppelt
ist.
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Mit
gemeinsamen Bezug auf 1, 2 und 3 wird
das Fahrzeug 30 im Betrieb betrieben, indem Leistung an
die Räder 36 durch
die Brennkraftmaschine 48 und den Elektromotor 50 abwechselnd
und/oder durch die Brennkraftmaschine 48 und den Elektromotor 50 gleichzeitig
geliefert wird. Um den Elektromotor 50 mit Leistung zu
versorgen, wird DC-Leistung von der Batterie 42 an den Wechselrichter 44 geliefert,
welcher die DC-Leistung in AC-Leistung umwandelt, bevor die Leistung
an den Elektromotor 50 gesandt wird. Wie der Fachmann feststellen
wird, wird die Umwandlung von DC-Leistung in AC-Leistung im Wesentlichen
ausgeführt,
indem die Transistoren in dem Wechselrichter 44 betrieben
(d. h. wiederholt geschaltet) werden.
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Der
Controller 56 erzeugt allgemein pulsbreitenmodulierte Signale
(PWM-Signale), um die Schaltaktion des Wechselrichters 44 zu
steuern. Der Wechselrichter 44 wandelt dann die PWM-Signale
in eine modulierte Spannungswellenform um, um den Motor 50 zu
betreiben. Bei einer typischen Anwendung mit dreiphasigen AC-Strom-Motoren
werden drei sepa rate PWM-Signale erzeugt, jedes für ein jeweiliges
Schalterpaar in dem Wechselrichter 44.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform steuert
der Controller 56 den Wechselrichter 44 mit einem
unstetigen pulsbreitenmodulierten Signal (DPWM-Signal), wenn entweder
ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors über einem ersten Drehmomentniveau
liegt oder eine befohlene Drehzahl des Elektromotors über einem
ersten Drehzahlniveau liegt. Gleichermaßen steuert der Controller 56 den Wechselrichter 44 mit
einem stetigen pulsbreitenmodulierten Signal (CPWM-Signal), wenn
sowohl ein befohlenes Drehmoment des Elektromotors unter dem ersten
Drehmomentniveau liegt als auch eine befohlene Drehzahl des Elektromotors
unter dem ersten Drehzahlniveau liegt.
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Diese
Ausgestaltung des Antriebssystems stellt eine gute Steuerung und
eine effiziente Verwendung von Leistung in dem Elektromotorantriebssystem
sicher. Insbesondere verringert die Verwendung einer DPWM bei hohen
Drehzahlen und Drehmomenten Leistungsverluste, welche bei diesen
Drehzahlen und Drehmomenten auftreten. Umgekehrt sorgt die Verwendung
einer CPWM bei niedrigen Drehzahlen und niedrigen Strömen für eine niedrige Stromverzerrung
und eine niedrige Drehmomentrestwelligkeit. Der Controller 56 kann
somit einen hohen Wirkungsgrad bereitstellen, während er auch ein gutes Systemverhalten
bereitstellt.
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Bei
den verschiedenen Ausführungsformen kann
eine Vielzahl unterschiedlicher Typen von DPWM- und CPWM-Techniken
verwendet werden. CPWM ist allgemein als diejenigen Typen von Pulsbreitenmodulationstechniken
definiert, bei denen jeder Schenkel des Wechselrichters kontinuierlich über den
vollen 360 Grad-Zyklus der modulierten Spannungswellenform schaltet.
Beispiele geeigneter CPWM-Techniken umfassen eine Sinus-PWM, eine PWM
mit einer Injektion der dritten Oberwelle (third harmonic injection
PWM) und eine klassische Raumvektor-PWM. Diese sind wiederum nur
Beispiele und auch andere Typen von CPWM-Techniken können verwendet
werden.
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Gleichermaßen ist
DPWM als diejenigen Typen von Pulsbreitenmodulationstechniken definiert, bei
denen nicht jeder Phasenschenkel des Wechselrichters über den
vollen 360 Grad-Zyklus der modulierten Wellenform geschaltet wird.
Zum Beispiel kann jeder Phasenschenkel des Wechselrichters während vier
30 Grad-, zwei 60 Grad- oder einem 120 Grad-Segment(en) des 360
Grad-Zyklus der modulierten Spannungswellenform nicht geschaltet
werden. Beispiele geeigneter DPWM-Techniken umfassen eine verallgemeinerte
DPWM (GDPWM), DPWM0, DPWM1, DPWM2, DPWM3, DPWMMIN und DPWMMAX. Wiederum
sind diese nur Beispiele des Typs von DPWM-Techniken, die verwendet
werden können.
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Nun
auf 4 Bezug nehmend, zeigt 4 eine beispielhafte
Wellenform eines typischen CPWM-Tastverhältnisbefehls, die über eine
elektrische Grundperiode eines Elektromotors aufgezeichnet ist. Bei
diesem Beispiel wird eine klassische Raumvektor-PWM-Technik verwendet.
Bei diesem veranschaulichten Beispiel ist das Tastverhältnis des
Befehls über
die gesamte elektrische Grundperiode des Motors größer als
Null und kleiner als Eins. Da das Tastverhältnis immer größer als
Null und kleiner als Eins ist, werden die entsprechenden Wechselrichterschalter
während
eines Betriebs des Motors konstant geschaltet.
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Nun
auf 5 Bezug nehmend, zeigt 5 eine beispielhafte
Wellenform eines typischen DPWM-Tastverhältnisbefehls, die über eine
elektrische Grundperiode eines Elektromotors aufgezeichnet ist. Bei
diesem Beispiel wird eine DPWM2-Technik verwendet. Bei der veranschaulichten DWPM-Tastverhältnis-Befehlstechnik
wird das Tastverhältnis
für zwei
60 Grad-Segmente (60 Grad entspricht annähernd 1 Radian) der elektrischen
Grundperiode entweder auf Null oder auf Eins festgeklemmt. Während dieser
festgeklemmten Perioden werden die jeweiligen Wechselrichterschalter
nicht geschaltet. Folglich werden während dieser festgeklemmten
Perioden keine Schaltverluste in dem entsprechenden Phasenschenkel
auftreten, sondern nur Leitungsverluste. Somit kann die Verwendung
einer DPWM-Technik Schaltverluste bis zu der Hälfte des Niveaus verringern,
das auftreten würde,
wenn CPWM verwendet wird.
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Obwohl
eine DPWM verbesserte Schaltverlusteigenschaften bereitstellt, weist
sie einige Verhaltensnachteile auf. Typischerweise können bei
niedrigen Modulationsindizes (z. B. niedriger als 0,6) die DPWM-Verfahren
eine höhere
Spannungsverzerrung und infolge eine höhere Stromverzerrung als CPWM-Verfahren
induzieren. Dies ist auch bei niedrigen Stromniveaus der Fall. Die
erhöhte
Stromverzerrung kann zu einer ungewünschten Drehmomentrestwelligkeit
von dem Antrieb führen.
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Folglich
existiert ein Kompromiss zwischen der Verzerrung bei einem niedrigen
Modulationsindex und bei niedrigen Strömen einerseits und Wechselrichterschaltverlusten
andererseits. Die Ausführungsformen
stellen ein System und Verfahren bereit, die in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen des Antriebs entweder eine CPWM oder
eine DPWM wählen.
Insbesondere verwenden die Ausführungsformen
CPWM-Verfahren bei niedrigen Modulationsindizes oder bei niedrigen
Stromniveaus, wo andernfalls höhere
Stromverzerrungen auftreten würden.
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Nun
auf 6 Bezug nehmend ist eine graphische Darstellung
einer Modulationssteuerungstechnik veranschaulicht. Bei dieser veranschaulichten
Technik wird bei niedrigen Drehmomenten, die kleiner als T1 sind, eine CPWM gewählt, um eine Verzerrung zu
verringern. Bei Drehmomenten über
T1 wird eine DPWM gewählt, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Der Wert von T1 kann auf der Grundlage von
Anwendungsanforderungen gewählt
werden, aber er kann in dem Bereich von 10–15% des maximalen Motordrehmoments
liegen. Dies wird für
eine bessere Stromtreue sorgen, wenn der Drehmomentbefehl relativ
niedrig ist und Schaltverluste sehr klein sind und dennoch einen
maximalen Wirkungsgrad aufgrund verringerter Schaltverluste bereitstellen, wenn
der Drehmomentbefehl hoch ist.
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Zudem
wird eine DPWM ohne Rücksicht
auf das Drehmomentniveau gewählt,
wenn die Motordrehzahl über
den Schwellwert n1 erhöht wird. Der Modulationsindex
steigt typischerweise mit der Drehzahl an (z. B. in Fällen mit
konstantem Fluss), und bei hohen Modulationsindizes weist eine DPWM
eine niedrigere Verzerrung als eine CPWM auf. Darüber hinaus
verwenden Motorantriebe oberhalb einer Basisdrehzahl typischerweise
eine Feldschwächung. Bei
gewissen Typen von Motoren (z. B. Permanentmagnetmotoren) wird ein
zusätzlicher
Statorstrom benötigt,
um dem Fluss aufgrund der Permanentmagnete entgegenzuwirken. Dieser
Strom wird benötigt, selbst
wenn ein Nulldrehmoment-Befehl vorliegt. Aus all diesen Gründen wird
eine DPWM ohne Berücksichtigung
des Drehmoments bei Drehzahlen über
n1 gewählt.
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Darüber hinaus
wird bei einigen Ausführungsformen
eine DPWM auch bei Zuständen
in der Nähe
einer Nulldrehzahl und eines Nulldrehmoments verwendet. In 6 veranschaulicht
die Region 602 beispielhafte Zustände in der Nähe einer
Motordrehzahl von Null und in der Nähe eines Nulldrehmoments, bei
denen eine DWPM verwendet werden kann. In dieser Region kann es
die Verwendung einer DPWM dem Wechselrichter ermöglichen, das Schalten bei einigen
Phasen zu beenden. Dies tritt aufgrund der minimalen Pulsbreitenkapazität des Wechselrichters
auf. Bei niedrigen Modulationsindizes werden die Wellenformen eines
DPWM-Tastverhältnisses
entweder zu Null oder zu Eins komprimiert. Wenn der Wechselrichter
diese kleinen (oder großen)
Tastverhältnisse
nicht reproduzieren kann, werden sie effektiv fallen gelassen, wodurch
die Schaltverluste noch weiter verringert werden. Typischerweise
wird sich die Region in der Nähe
der Nulldrehzahl und des Nulldrehmoments bis zu etwa 1% des Nenndrehmoments
und der Nenndrehzahl erstrecken.
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Nun
auf 7 Bezug nehmend wird ein Flussdiagramm veranschaulicht,
das ein beispielhaftes Steuerungsverfahren zur Wechselrichtermodulation
veranschaulicht. Bei diesem Verfahren werden das Drehmoment und
die Drehzahl überprüft, um zu ermitteln,
ob eine CPWM oder eine DPWM angewandt werden soll. Bei Schritt 702 wird
das Schalten des Wechselrichters aktiviert. Bei Schritt 704 wird das
befohlene Drehmoment mit einem ersten Drehmomentniveau T1 verglichen. Wenn das Drehmoment größer als
T1 ist, geht das Verfahren zu Schritt 712 weiter
und eine DPWM wird verwendet. Wenn das Drehmoment kleiner als T1 ist, geht das Verfahren zu Schritt 706 weiter.
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Bei
Schritt 706 wird die befohlene Drehzahl mit einem ersten
Drehzahlniveau n1 verglichen. Wenn die Drehzahl
größer als
n1 ist, geht das Verfahren wieder zu Schritt 712 weiter
und eine DPWM wird verwendet. Wenn die Drehzahl kleiner als n1 ist, geht das Verfahren zu Schritt 708 weiter.
Bei Schritt 708 werden die Drehzahl und das Drehmoment
mit Null verglichen. Wenn die Drehzahl und das Drehmoment beide
in der Nähe
von Null liegen, geht das Verfahren wieder zu Schritt 712 weiter
und eine DPWM wird verwendet. Wenn entweder die Drehzahl oder das Drehmoment
nicht in der Nähe
von Null liegen, geht das Verfahren zu Schritt 710 weiter
und eine CPWM wird verwendet. Das Verfahren kehrt dann zum Schritt 704 zurück. Dieser
Prozess wird wiederholt, solange ein Wechselrichterschalten auftritt,
wobei das Verfahren bewirkt, dass sich die Modulation zwischen CPWM-
und DPWM-Techniken ändert,
wenn sich Drehmoment- und Drehzahlbedingungen ändern.
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Somit
hängt die
Wahl einer PWM-Strategie von den Betriebsbedingungen eines Motorantriebs (d.
h. Drehmoment und Drehzahl) ab. Dies stellt einen Ausgleich zwischen
einer niedrigen Verzerrung und einer niedrigen Drehmomentrestwelligkeit
sowie einem hohen Wirkungsgrad bereit.
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Es
wird angemerkt, dass zusätzlich
zu der Drehzahl und dem Drehmoment auch zusätzliche Parameter verwendet
werden können,
um zu bestimmen, ob CPWM- oder DPWM-Techniken verwendet werden.
Beispiele von Parametern, die verwendet werden können, umfassen eine Kühlmitteltemperatur,
eine Spannung, den Modulationsindex und das Stromniveau in den Wechselrichtern.
Dies würde eine
zusätzliche
Fähigkeit
zum Optimieren des Verhaltens und des Wirkungsgrads des Antriebssystems bereitstellen.
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Somit
stellen die Ausführungsformen
der Erfindung ein System und Verfahren bereit, die den Wechselrichter
steuern, indem sie in Ansprechen darauf, dass entweder ein befohlenes
Drehmoment des Elektromotors über
einem ersten Drehmomentniveau liegt oder eine befohlene Drehzahl
des Elektromotors über
einem ersten Drehzahlniveau liegt, den Wechselrichter mit einem
unstetigen pulsbreitenmodulierten Signal (DPWM-Signal) steuern,
um eine modulierte Spannungswellenform zum Antreiben des Elektromotors
zu erzeugen. Zudem steuern das System und Verfahren den Wechselrichter
dadurch, dass sie in Ansprechen darauf, dass sowohl ein befohlenes
Drehmoment des Elektromotors unter dem ersten Drehmomentniveau liegt
als auch eine befohlene Drehzahl des Elektromotors unter dem ersten
Drehzahlniveau liegt, den Wechselrichter mit einem stetigen pulsbreitenmodulierten
Signal (CPWM-Signal) steuern, um die modulierte Spannungswellenform zum
Antreiben des Elektromotors zu erzeugen. Somit verringern das System
und Verfahren einen Leistungsverlust während ein gutes Systemverhalten
bereitgestellt wird.
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden
genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine
große
Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass
die beispielhafte Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten
eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften
Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen
bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und
Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden
können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen und
deren juristischen Äquivalenten
offengelegt ist.